Optische Werkzeuge
Im letzten Kapitel hast du gelernt, dass Licht seinen Weg ändert, wenn es durch unterschiedliche durchsichtige Gegenstände geht. Aus dem Mathematikunterricht kennst du unterschiedliche Körper: Quader, Prisma, Kugel, Zylinder,... Heute sollst du untersuchen, wie Licht seinen Weg ändert, wenn man es durch solche Glaskörper schickt (manchmal sind diese Körper auch aus durchsichtigem Kunststoff).
Experiment 1: Lupe und Brille
Wenn du zu Hause eine Lupe oder eine Brille für ein kleines Experiment verwenden darfst, kannst du folgendes machen:
Halte die Lupe/Brille sicher mit deiner Hand in einem Abstand von 30 cm vor deinen Augen. Bewege und verdrehe die Lupe/Brille etwas, während du hindurchschaust. Was beobachtest du?
Beobachtung: hier klicken...
Die Gegenstände hinter der Lupe/Brille ändern ihr Aussehen und ihre Position. Die Lupe/Brille ändert den Weg des Lichts.
Optische Werkzeuge
In einer Werkstatt benutzt man einen Schraubenzieher/Akkuschrauber, um eine Schraube fest zu drehen und einen Hammer, um einen Nagel einzuschlagen. In der Optik gibt es Werkzeuge, die den Weg eines Lichtbündels verändern können.
Experiment 1: Kennenlernen der Simulation
- Klicke in der folgenden Simulation auf "Prismen" und schalte die Lampe ein, indem du auf den roten Knopf klickst.
- Auf der rechten Seite findest du drei Schaltflächen, mit denen du die Lichtdarstellung ändern kannst. Links: ein einzelnes rotes Lichtbündel, Mitte: 5 rote Lichtbündel, Rechts: ein weißer Lichtstrahl. Klicke auf die drei Schaltflächen und beobachte, wie sich das Licht ändert, welches die Lampe aussendet.
- Unterhalb der drei Schaltflächen ist ein Schieberegler, mit dem du die Farbe des Lichts ändern kannst. Probier das mal aus, indem du den Regler nach rechts und links verstellst.
- Die Lampe kannst du mit der Maus verschieben und drehen. Versuche das auch mal.
Quelle: PhET
Fensterglas
Fensterglas schützt uns vor dem Wetter, das draußen ist. Im folgenden Experiment kannst du selbst untersuchen, wie Fensterglas den Lichtweg verändert. Fensterglas ist ein Körper, den man "Quader" nennt. Ein Quader ist ein Körper bei dem alle Seiten Rechtecke sind.
Experiment 1: Fensterglas
- Klicke in der folgenden Simulation auf "Prismen" und schalte die Lampe ein.
- Ziehe von unten den Quader in die Simulation (der sieht aus wie ein Rechteckt/Quadrat).
- Lasse den Quader so stehen, dass die Oberfläche senkrecht zum Lichtbündel steht. Was beobachtest du?
- Drehe den Quader um seinen Mittelpunkt, so dass das Lichtbündel nicht mehr senkrecht auf der Oberfläche steht. Was beobachtest du?
Quelle: PhET
Beobachtung:
Wenn das Lichtbündel senkrecht auf die Quaderoberfläche trifft, dann ändert sich die Richtung des Lichtbündels nicht.
Wenn das Lichtbündel schief auf die Quaderoberfläche trifft, dann ändert sich die Richtung des Lichtbündels auch nicht. Das Lichtbündel ist aber seitlich verschoben.
Aus diesem Grund sehen wir durch ein Fenster die Welt genauso, wie sie ist. Das Bild der Welt wird nicht verändert, wir sehen die Welt nur etwas verschoben, wenn wir durch ein Fenster sehen.
Prismen
Ein "Prisma" ist ein Körper, bei dem zwei Seiten Trapeze, Parallelogramme oder Dreiecke sind und die anderen Seiten Rechtecke.
Experiment 2: Prismen
- Klicke in der folgenden Simulation auf "Prismen" und schalte die Lampe ein.
- Ziehe von unten das Dreiecks-Prisma in die Simulation.
- Schicke das Lichtbündel durch das Dreiecks-Prisma. Was beobachtest du?
- Ziehe von unten das Trapez-Prisma in die Simulation.
- Schicke das Lichtbündel durch das Trapez-Prisma. Was beobachtest du?
- Stelle die Lampe auf 5 Lichtbündel um (mittlere Schaltfläche). Was beobachtest du jeweils?
Quelle: PhET
Beobachtung:
Wenn ein Lichtbündel auf ein Dreiecks-Prisma trifft, dann ändert sich die Richtung des Lichtbündel immer, da eine von beiden Seiten nicht im rechten Winkel zum Lichtbündel steht.
Wenn mehrere Lichtbündel auf das Prisma treffen, dann treten die Lichtbündel enger aus dem Prisma wieder aus. Das Bild verändert sich.
Wenn ein Lichtbündel auf ein Trapez-Prisma trifft, dann ändert sich die Richtung des Lichtbündel auch, aber weniger stark als beim Dreiecksprisma. Der Vergleich zum Dreiecksprisma zeigt, dass die Richtungsänderung um so heftiger ist, je unterschiedlicher die Winkel zwischen den zwei Seiten des Prismas sind.
Mit einem Prisma kann man mehrere Lichtbündel verengen:
oder verbreitern:
Gekrümmte Oberflächen
Im Unterschied zu einem Prisma hat z.B. eine Kugel eine krumme Oberfläche. Im folgenden Experiment sollst du beobachten, wie sich der Weg eines Lichtbündels beim Durchgang durch eine gekrümmte Oberfläche ändert.
Experiment 3: gekrümmte Oberflächen
- Klicke in der folgenden Simulation auf "Prismen" und schalte die Lampe ein. Aktiviere für die Lampe 5 Lichtbündel.
- Ziehe von unten eine Glas-Kugel in die Simulation.
- Schicke die Lichtbündel durch die Glaskugel. Was beobachtest du?
- Ziehe von unten eine Glas-Halbkugel in die Simulation.
- Schicke die Lichtbündel durch die Glas-Halbkugel. Was beobachtest du?
- Ziehe von unten eine ausgeschnittene Glas-Halbkugel in die Simulation.
- Schicke die Lichtbündel durch die ausgeschnittene Glas-Halbkugel. Was beobachtest du?
Quelle: PhET
Beobachtung:
Wenn ein Lichtbündel auf eine Glas-Kugel trifft, dann ändert sich die Richtung von jedem Lichtbündel anders. Da die Glas-Kugel symmetrisch ist, kreuzen sich die Lichtbündel.
Wenn ein Lichtbündel auf eine Glas-Halbkugel trifft, dann kann man das gleiche beobachten wie bei einer Glas-Kugel. Man kann also viel Material sparen, wenn man die Lichtbündel kreuzen möchte. Zum Glück ist das so, sonst wären unsere Brillen viel schwerer und hätten nicht so dünne Brillengläser.
Wenn ein Lichtbündel auf eine ausgeschnittene Glas-Halbkugel trifft, dann wird das Lichtbündel verbreitert und die Lichtbündel laufen auseinander.
Mit diesen optischen Werkzeugen kann man optische Instrumente bauen: Eine Brille, ein Mikroskop, ein Teleskop, usw. Wie manche von diesen funktionieren, kannst du in einer der nächsten Stunden kennenlernen.
Exkurs: Wie wird eine Brille hergestellt
In dem folgenden wirklich alten Video erzählt die Sendung mit der Maus, wie eine Brille hergestellt wird: Herstellung einer Brille .